（材料学专业论文）新老混凝土界面粘结材料及强度的研究.pdf

摘要 y 葛7 3 2 g 蠡 实际工程中的新老砂浆或新意混凝土粘结，往往受诸多因素欺同影响。界面 爨精老移浆或蓊老混凝中最薄弱鹩区壤，逶零髓况下，器瑟糖缩强度 氛，穰少 达到本体的相应强度。新糍混凝土界面粘结材料和处理方法有多种，粘结效果差 拜较大，艇都不落理想。 针对这一问题，本文在大量实验的基础上，对不同种类材料的界面粘结效果 和影嫡蠢索进行了实验研究，对冀粘结及改性祝疆迸行了初步探讨；提出了不同 界面牯结方法、不同养护制度下邋宜的界面粘结树料及其较佳配比：对不同界蟊 睾爵结材料在新老砂浆及新老混凝土中的稻结效果进行了对比，为其工程应爝及界 颟粘结力学、耐久性能等的进一步研究奠定了基戳。 本文的研究工作可主爱分为以下两大方面： l 、毅老砂浆器面粘缩的研究 采用“g ”字挺新老砂浆粘绐抗拉粘结强度的试验方法，研巍了多种界面粘 缝糖料在不同养护剑度、不同糙缝方法、不同龄期、不同酝兜条 孛下鲍糖续性能， 并利用扫描电镜对界面微观结构进行了分析，对各种材料粘结改| 漩机理进行初步 搽讨。磷究孛采髑瓣爨嚣糙缝翅瓣有簧邋零泥基辩辩、矿物掺合糕改睦承淀基耱 料、聚合物改性水泥基材料和环氧树脂，其中重点研究了聚合物改性水泥慕材料， 骚震聚合甥包括艘粉末、丁苯嚣滚、嚣烯酸襄滚、缝嚣攀l 滚、鬣t 孚t 滚、隶巍 环氧。 2 、毅老溪凝主赛嚣糖结懿磷究 采用新老混凝土劈裂粘结试黢方法，对比研究了普通修补混凝土、丁苯改性 溪凝、筑丁改穗混凝主精结注貔。著逶遭薪老漉凝锯蕊拉拔旗绣试验，研究 了不同界丽粘结材料的新老混凝土粘结效果，并与其砂浆粘结试验结果进行了对 磁，对实琢工程瘟瘸中正确选蠲赛蕊藉绥材籽及评价稚结效采翼裔定弱指导意 义。 关键词：界面，粕结强度，聚台物，水泥基材料 a b s t r a c t t h eb o n db e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e so rm o r t a r si na c t u a lp r o j e c ti sa f f e c t e d b ym a n yf a c t o r s i n t e r f a c ei st h ew e a k e s tr e g i o ni nn e w t o o l dc o n c r e t e so rm o r t a r s u s u a l l y , t h ei n t e r r a c i a lb o n ds t r e n g t h i s v e r yl o w , a n da p p r o a c ht o t h es t r e n g t ho f s u b s t r a t e t h e r ea r em a n yk i n d so fb o n dm a t e r i a l sa n dm e t h o d so fd e a l i n gw i t ht h e i n t e r f a c e ，h o w e v e r t h ee f f e c tv a r i e sr e m a r k a b l ya n dc a l l tm e e tt h ei d e a ld e m a n d a st ot h ep r o b l e ma b o v e ，e x p l o r et ot h ei n t e r r a c i a lb o n da n df a c t o r so fv a r i o u s b o n dm a t e r i a l so nt h eb a s i so fag r e a td e a lo ft e s t s m a n ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s h a v eb e e nd o n ea n d g i v e np r e l i m i n a r y d i s c u s so nt h eb o n da n dm e c h a n i s m m e a n w h i l e ，p r o p e rb o n dm a t e r i a l s a n db e t t e r p r o p o r t i o n a r eo f f e r e d ，u n d e rt h e b a c k g r o u n d o ft h ed i f f e r e n c ei n t e r r a c i a lb o n dm e t h o d sa n d c u r i n gs y s t e m s t h i sp a p e ra l s om a k e sac o m p a r eo nt h eb o n de f f e c to fv a r i o u sb o n dm a t e r i a l s a n dg i v e nr e f e r e n c ef o rt h e p r o j e c ta p p l i c a t i o na n dt h e f u t u r er e s e a r c ho fb o n d m e c h a n i c sa n de n d u r a n c e t h er e s e a r c hw o r kc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ： 1 r e s e a r c ho nt h ei n t e r f a c i a lb o n do fn e w t o o l dm o r t a r s t h i s p a p e r h a sr e s e a r c ho nt h eb o n dp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n tc u r i n gs y s t e m s ，b o n dm e t h o da g i n ga n d p r o p o r t i o n ，b ym e a n so f 8 m o u l d a n dg i v i n gp r e l i m i n a r yd i s c u s so nt h em e c h a n i s mo fd i f f e r e n tm a t e r i a l sb yu s eo f s e m t h e p a p e ra d o p t ss u c h m a t e r i a l sa sc o m l r l o nc e m e n t m a t e r i a l s ，m i n e r a lm o d i f i e d c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l s ，p o l y m e rm o d i f i e dc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l sa n de p o x yr e s i n a n dp l a c e s e m p h a s i so nt h ep o l y m e rm o d i f i e dc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l s p o l y m e r s i n c l u d en p p o w d e r , s b rl a t e x ，a c r y l i ca c i dl a t e x ，p u r ea c r y l i ca c i dl a t e x ，c h l o r o b u t y l l a t e xa n de p o x yl a t e x 2 r e s e a r c ho nt h eb o n do ft h en e w t o o l dc o n c r e t e s b ym e a n so ft h et e s to fs p i t t i n gb o n db e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e s ，t h eb o n d p e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tb o n dm a t e r i a li sr e s e a r c h e d t h eb o n de f f e c to fv a r i o u sb o n dm a t e r i a li sa l s or e s e a r c h e db yu s eo ft h et e s to f 1 l p o r e d d r i l l e dd r a w i n g b o n db e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t e s t h i sp a p e ra l s om a k e s a c o n t r a s tw i t ht h ee f f e c to fm o r t a r s b o n d ，w h i c ho f f e r sam e a n i n g f u lr e f e r e n c eo nh o w t oc h o o s eb o n dm a t e r i a l sa n dt oa p p r a i s et h eb o n d e f f e c t k e y w o r d s ：i n t e r f a c e ，b o n ds t r e n g t h ，p o l y m e r , c e m e n t _ b a s e d m a t e r i a l l i i 第一章绪论 1 1 新老混凝土的界面概述 混凝土是一种家喻户晓的建筑材料，在现代建筑中占极其重要的地位。然而 经过长期应用之后，混凝土的老化修补，病害修复已越来越引起世人的关注和学 者们的重视，混凝土的损坏，病害及其防治修补材料，修补技术的研究已形成一 门必不可少的科学领域。对老混凝土的维护，修复等常常得浇筑修补混凝土，老 混凝土结构物与修补混凝土的接触面形成新老混凝土界面，新老混凝土界面粘结 质量决定新老混凝土能否形成统一的整体，保证混凝土结构物的整体性。大型建 筑物诸如大型海下工程，大高度的大坝，大跨度的桥梁，超高建筑物由于工期长， 后浇筑混凝土能否与己硬化的混凝土很好粘好，就关系到混凝土结构物的整体 性。 通常情况下，混凝土会由于发生损坏，病害而需要维修或恢复，这当中有些 出现新老混凝土乔面的问题。了解混凝土损坏的根源是决定选用恰当的修补工序 和适合结构材料的首要步骤。 在老混凝土表面上浇筑新拌混凝土时，在新老混凝土之间必然出现界面。界 面的出现是新老混凝土结合的一个薄弱环节，它降低了混凝土整体的抗拉、抗剪 强度以及耐久性能。这就需要了解混凝土中的界面结构及形成过程以解决新老混 凝土结合薄弱的问题。 对受力薄弱环节的新老混凝土结合面的界面结构及形成过程，可概述如下： ( 1 ) 新老混凝土接触界面存在一个类似于整体浇筑混凝土中骨料与水泥石之间 的界面过渡区。由于老混凝土亲水性，修补时会在老混凝土表面形成水膜，使 界面区修补混凝土的局部水灰比高于体系中的水灰比，导致界面钙矾石和氢氧化 钙晶体数量增多，形态变大，形成择优取向，降低界面强度。且由于老混凝土的 阻碍，修补混凝土中的泌水和气泡积聚在老混凝土表面，不仅使得修补混凝土局 部水灰比更高，而且使得气孔和微裂缝在该区富集，这种界面结构显著降低界面 强度。这是物质结构化学方面的原因，是影响新旧混凝土结合本质的内因。( 2 ) 空穴理论。认为新老混凝土界面处修补混凝土中的骨料经过振捣可能挤压在界面 处，使骨料与界面突出的石子，水泥石形成点接触，骨料堆积在老混凝土表面， 阻塞了一部分老混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有粘结性的水泥浆不能 完全渗入孔隙中去，形成空穴现象，界面处水泥浆不能充分浸润骨料和水泥石， 而修补混凝土失去一部分水泥浆，这样使得粘结界面处的修补混凝土中出现空 隙，这种界面空隙结构也影响了新老混凝土的粘结性能。( 3 ) 新老混凝土界面处 的骨料和硬化水泥石对修补混凝土来言犹如一个面，像一块表面比较平坦的“大 骨料“，而这块“大骨料”与整体浇筑混凝土中的骨料相比不但体积大且只有 一个“面”，并且这个“面”很平坦。浇筑的新拌混凝土犹如只与这块“大骨料” 的一个平“面”粘结。 自然，界面结构与新老混凝土本身的结构差异，造就了新老混凝土之间一 个性质独特的过渡层。再者，修补粘结材料与老混凝土之间存在物理化学性质差 异，由于冷热交替，冻融循环作用及修补混凝土的收缩而在界面处引起附加拉应 力，诱发先天裂缝，从受力的角度看，一旦受力，新老混凝土界面处裂缝、缺陷 较集中，产生的概率较大，再加上界面比较平坦不能使裂缝扩散路径曲折，消耗 能量，所以一旦从这一区域引发了微裂缝，裂缝尖端处应力集中，就会导致裂缝 迅速开展和传播，新老混凝土面承载能力会进一步被削弱，最后导致界面处首先 破坏，即破坏总是从最薄弱环节界面结构开始。 1 2 新老混凝土界面处理方法及粘结材料 1 2 1 新老混凝土界面处理方法 形成新老混凝土界面，就需要做界面处理。了解混凝土损坏的根源是决定选 用恰当的处理方法和适合结构材料的第一步。劣质的混凝土拌合料或者浇筑技术 差错；设计失误；建造过失；偶然过大的外部载荷；火灾破坏：耐候性差；化学 腐蚀；钢筋锈蚀；使用除冰盐；各种原因形成的裂缝等都会造成混凝土损坏。接 着确定损坏部位、厚度、大小之后，可通过如下方法除掉损坏的混凝土，便可得 到不同老混凝土表面形态： a 、金钢石锯割。较薄构件经常使用此法，得以光滑平整的老混凝土表面。 b 、空气锤锤掉老混凝土。此种方法常用在板、路面、薄混凝土构件，常得 到极其粗糙不平整的界面，并有骨料松动的有微裂纹的表面。 c 、高压水切割。通过调整水压，可得一个粗骨料凸出水泥基底的表面，此 类表面少有裂纹。 得到上述的混凝土表面，在浇筑修补混凝土粘结材料之前，还有一个非常重 要过程，就是表面处理。根据混凝土损坏的因由和去除损坏混凝土的方法不同， 选用不同的表面处理方法。下面就是主要的表面处理方法： a 、化学清洁。主要应用酒精、丙酮等清洁表面。 b 、酸处理。酸处理是特别有效的表面处理方法，其优点可采用氨基磺酸进 行酸处理，也可采用1 0 的盐酸溶液进行处理。酸洗过程是酸与混凝土中的碱反 应，使混凝土中的细骨料颗粒显露出来，从而能与修补混凝土形成极好的机械嵌 合，增加粘结力，保证粘结强度。酸洗后应清洗干净。 c 、机械处理方法。此方法主要包括电动钢丝刷处理，高压水喷射，粗琢。 电动钢丝刷可使混凝土表面较为规则无砂眼”1 ，但会产生很多灰尘，处理速度慢， 仅适用于小面积的。用高压水喷射处理混凝土表面，所得表面干净光滑，因此常 在高压水枪喷咀处加砂，使混凝土表面粗糙，适用于涂层粘结牢固。粗琢即用粗 琢器和针枪凿除几毫米厚疏松，抗渗性差的表面混凝土。在粗琢完毕后粘结修补 混凝土之前还需用空压机吹一遍以除去表面灰尘和细颗粒。 d 、打磨处理。一般使用手提砂轮机打磨。还有使用喷砂磨蚀的，喷砂是混 凝土表面处理的主要方法，是快速而有效的一种方法。 7 e 、人工凿毛处理。效率低，劳动强度大。优点是粘结面积大，粘结强度高。 土木工程最常用的是凿毛处理。 1 2 2 混凝土粘结材料主要种类 混凝土粘结材料指能将新老混凝土接触面粘结起来，形成统一整体的胶凝 材料。 1 2 2 1 水泥基质材料 该种材料主要有普通混凝土、普通砂浆、纤维增强混凝土、水泥稀浆、小坍 落度密实混凝土、磷酸盐混凝土和砂浆、预置骨料混凝土、速凝水泥、喷射混凝 土、收缩补偿混凝土、硅灰混凝土等。每种材料在作混凝土粘结材料时，都有其 特性、优点、缺点及主要应用范围，现分析如下： 普通混凝土：优点是经济，货源丰富，容易拌制、浇筑粘结、养护，与老 混凝土性质相近，可用于水下工程；缺点是界面粘结收缩大，如引起老混凝土损 坏的原因没法消除，则新老混凝土粘结性能将影响，使用寿命大为缩短。主要用 在大块修补及水下工程。 普通砂浆：其对小面积小厚度修补粘结较为适合，但收缩率大。 纤维增强混凝土：将增强纤维加到普通混凝土中即可制得，常用的纤维品 种有钢纤维和聚合物纤维增强混凝土，其耐塑性收缩及载荷裂缝“1 ，对小而薄的 修补粘结其可满足抗压，抗折强度要求，但其流动性小，工作性差，对于钢纤维 表面裸露纤维易生锈。 小坍落度混凝土：其坍落度只有5 m m 或更小，强度增长快速，渗透性小， 但其难配制，初期养护时间长，否则，很难跟老混凝土基质有满意的粘结。 磷酸盐混凝土和砂浆0 1 ：其室温下凝结快，早期强度高，主要用于快速新 老混凝土粘结，常见于高速公路、桥面板、机场、隧道、工厂维修，但在其中如 有钙质骨料易发生反应而削弱水泥石与骨料粘结：如老混凝土表面碳化了，则易 发生界面粘结强度损失，不耐载荷，不耐高温。 预置骨料混凝土：其主要特点是先预置骨料，再浇筑水泥砂浆，砂浆流过 骨料缝隙将骨料粘成整体并与老混凝土表面粘结。由于骨料的骨架支撑作用，收 缩很小，也适合于水下作业”3 。其主要适用大体积修补及水下修补。但其砂浆要 求流动性更大，不可避免因用水量偏大，而带来一些界面粘结问思。 速凝水泥：其主要特点和优点就是凝结时间极短。有些速凝水泥在适当条 件发展强度，生成钙钒石而膨胀，但如条件发生变化，导致钙钒石生成延后，对 于高膨胀率的将会引发强度破坏，特别会破坏界面的粘结强度，只因界面粘结强 度相对较低，更容易受破坏。 喷射混凝土”3 ：对于不规则，凹凸不平的老混凝土表面，要粘结一层薄薄 的混凝士，喷射混凝土将是较好的选择。其主要应用于隧道加固。 收缩补偿混凝土：其是一种膨胀水泥混凝土，通过减小干缩而避免收缩开 裂及新老混凝土界面粘结开脱。 硅狄混凝土。3 ：其粘度会随硅灰用量增加而增加，泌水减少，但同时也易 于产生塑性收缩裂缝，引发界面粘结失效，且早期的湿养护时问应足够长，否则， 早期粘结强度偏低，后期粘结强度也受影响。 1 2 2 2 树脂基质粘结材料 树脂基质材料就是主要以高分子树脂材料作为胶粘剂的复合粘结材料。主要 有树脂混凝土( p c ) ，有机胶粘剂等。 树脂混凝土( p c ) 主要由有机胶结料，填料和粗骨料几部分组成。有时，为 改善其某项性能，必要时也加入短纤维、减缩剂、偶联剂、阻燃剂、防老剂等外 加剂。树脂混凝土早期强度高，后期强度也较高，对老混凝土的粘接强度高，其 4 强度影响因素多，不仅与胶结料、骨料的性能、配合比关系极为紧密，且受到龄 期、养护方式的制约，对温度的敏感性大，固化收缩率比水泥混凝土要大几倍到 几十倍，受力变形量和徐变大，吸水率小，抗渗性好，抗冻融性好，但价格昂 贵。常用做树脂砂浆和树脂混凝土的胶结料的树脂有热固性树脂，焦油改性树脂、 乙烯型单体。热固性树脂主要包括不饱和聚酯树脂( u p ) 、环氧树脂、呋喃树脂、 聚氨酯、酚醛树脂等。焦油改性树脂主要包括焦油环氧树脂、焦油氨基甲酸乙酯 等。乙烯型单体主要包括甲基丙烯酸甲酯，甘油甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯等。 有机胶粘剂是这样类能将各种材料紧密粘合在一起且具有实用强度的物 质，这里仅指应用于建筑行业中的各类有机胶粘剂，也叫建筑胶粘剂。建筑胶粘 胶最主要特征和功能是高强度粘结功能，可以与不同弹性模量的，厚薄差异很大 的，软质与极硬的，极小与形状复杂的老混凝土牢固地粘接起来。有机胶粘剂主 要包括天然胶粘剂，合成胶粘剂。就其作用功能而言，粘结性能较好的高分子乳 液均可以作为混凝土界面粘结剂使用，但为了使性能更加全面，国内出现了一些 专门的混凝土界面粘结剂品种。按其包装而言，有双组分型与单组分型，就其组 分而言，有环氧乳液型，e v a 乳液型，丙烯酸乳液型及其他高分子乳液型等。虽7 然，建筑胶粘剂与老混凝土表面粘结强度高，但是，其在老混凝土的维修上并不 能大范围使用，只因其有天然的致命缺陷，其价格昂贵，旋工技术高，温度敏感 性高，易老化，使用寿命短9 “”1 。 1 2 2 3 聚合物改性水泥基材料 粘结材料的改性本文主要指聚合物对普通混凝土和砂浆的改性。将聚合物乳 液或粉末掺入新拌水泥混凝土或水泥砂浆中，必要时另加其他各种外加剂，可使 混凝土或砂浆的性质有显著的改变，性能得到明显的改善，这类材料称为聚合物 改性混凝土或砂浆，简称p m c 。由于多数p m c 与老混凝土粘结性能好，常常被作 为老混凝土表面粘结材料。 关于p m c 的形成机理和性能，国内外有大量文献记载，相关科研成果也很多， 应用领域也不断得以拓展。 p m c 的形成机理如下： 在p m c 中，无论水泥水化产物还是聚合物颗粒聚集形成聚合物相，两者都是 形成一个完整的互相穿透的网状结构“，骨料被粘结在其中形成一个复合体。 聚合物在不同温度下，分别处于玻璃态、高弹态、粘流态，而其玻璃化温度 又决定聚合物在混凝土中的成膜温度。聚合物颗粒能否在p m c 中成膜，在一定程 度上影响p m c 性能。但也有文献记载n 2 1 ，p m c 的聚合物成膜温度低于工作环境温 度，或者成膜温度高于p m c 硬化过程所能达到最高温度而不能成膜，仍维持原来 的球状颗粒，只是聚集成大颗粒，但是，p m c 性能仍能得到保证。 聚合物明显影响孔的体积，孔径的分布频率。聚合物对水泥水化也有明显的 影响，这种影响表现为：聚合物的加入使水泥水化放热低于普通水泥水化放热量， 水化放热速度减慢，放热峰出现的时间推迟，有的聚合物样品甚至看不到明显的 放热峰，通常情况下，随聚合物含量增加，上述作用更为明显。另外，聚合物对 水泥兼有缓凝作用n 。 外加剂对p m c 进行复合改性起重大作用。其可改善p m c 的弹性模量，粘结性 能，热膨胀系数，收缩量等性能。因而，选用做新老界面粘结的p m c 常常另外掺 用外加剂对其复合改性。 p m c 的性能简述如下： p m c 硬化前有其特殊的性质和特点。聚合物胶乳有较好的减水性，使拌和物 和易性得到大大改善。拌和物的塌落度或者沉入度随单位用水量即水灰比及聚灰 比的增加而增大。p m c 在手工或机械搅拌过程中极易引入空气，其含气量较高。 要是采用优质消泡剂“”，并对拌和时间和搅拌强度加以控制，其含气量就会少得 多，德国为了消除引入空气的影响，曾选用真空搅拌机。当聚合物含量增加时， p m c 的密度趋向减少。p m c 的凝结时间有聚灰比增加而有所延长的趋势“，但在 实际应用上并无太大妨碍，在选择聚合物时往往忽略此问题。 p m c 硬化后性能如下所述。对p m c ，由于水分自混凝土表面蒸发及水泥的水 化，致使聚合物悬浮液脱水，聚合物粒子相互粘连，形成粘结性的聚合物薄膜， 强化了作为胶结料的水泥硬化体。因而，硬化后的聚合物水泥混凝土的各种性能 均比普通水泥混凝土或砂浆好。弹性胶乳有使p m c 抗压强度下降的趋势，热塑性 树脂乳液有使p m c 抗压强度增长的倾向“”。而对任何胶乳，抗折强度都随聚灰比 的增加而增加，增加到一定程度后再下降。p m c 与普通混凝土或砂浆相比，其对 基材的粘接强度普遍得到提高“，只是提高程度不同。粘接强度的提高受诸多因 素的影响“”，比如：聚灰比、基面材质、试验方法、养护条件、基面孔隙度、聚 合物品种、表面的预处理。另外，p m c 的耐冲击强度相比较而言也有较大的提高。 关于变形性能，显微研究表明，在胶乳改性砂浆横断面的扫描照片中，可清楚地 看出聚物薄膜如桥一样横跨微裂缝上，如果聚合物不成膜，也能有效地阻止裂缝 的形成和扩展，所以p m c 的断裂韧性、变形性能比水泥混凝土和砂浆有很大的提 高，弹性模量也明显降低。p m c 的徐变有随聚合物含量增大而增大的趋势，硬化 后的p m c 的耐水性和抗冻性依聚合物品种、孔结构即孔隙度、聚灰比变化而变化。 一般说来，随聚合物用量增加，吸水率和透水率减少更为明显。p m c 的收缩受到 聚合物种类和外加剂的影响，有的聚合物使收缩增加，有的使收缩减少。p m c 的 耐磨性相对而言有大幅度提高，p m c 抗碳化能力和化学稳定性能都比普通混凝土 和砂浆有明显提高。 p m c 中聚合物种类“8 1 可见表1 1 。美国、欧洲等各国采用环氧树脂或不饱和 聚酯树液态聚合物，而日本权衡性价比，多采用丁苯橡胶胶乳、丙烯酸乳液和环 丙基甲酸乙烯酯乳液。 1 2 2 4 粘结材料选择的依据 上述各种新老混凝土粘结材料都有其主要特性、优点、缺点或者局限性，其 主要应用范围及应用标准。因此，选择老混凝土表面的粘结材料时，应根据不同 条件具体选择。但是，由于存在大量的可供选择的新老混凝土界面粘结材料，这 就增加了选用不合适材料的可能性，所以，选择粘结材料应遵循如下原则。 选择原则：适宜的凝结时间；较好的工作性能；较快的硬化速度和较 高的早期强度；同老混凝土有较好的粘结强度；与老混凝土有较好的相容性； 后期强度不回降，耐久性好；防水和抗渗性好；低收缩。粘结材料与老混 凝土的相容性主要表现在下列几个方面：收缩应变，热膨胀系数，弹性模量，抗 拉强度，泊松比，粘结力，疲劳性能，化学特性，浸透性，颜色特性，抗压强度， 蠕变特性。 新老混凝土界面粘结材料必须是一种低收缩材料，否则在界面层出现拉应 力。其热膨胀系数及弹性模量、横向变形系数与老混凝土应尽可能地保持一致， 在温差变化及应力作用下，材料界面不会出现应力集中，保证界面的良好结合。 其抗拉强度必须优于老混凝土，因为目前各类修补粘结材料一般都有足够的工程 抗压强度，而实际在修补粘结材料中较易产生拉应力，所以必须选用抗拉强度大 的修补材料。粘结材料必须具备优良的疲劳性能和较强的粘结力，从而保证粘结 的耐久性。其化学特性也应满足化学稳定性，较低的化学活性，p h 值不宜低于 1 2 ，优良的护筋性可得到保证，以及与混凝土中的骨料不发生碱集料反应。粘结 材料的浸透性应该比老混凝土要好，因为由于毛细孔作用，如修补混凝土的浸透 性小，那么水会在界面区积聚，如果老混凝土本来没用引气剂，那么在冻融循环 中积聚水会引起老混凝土破坏或粘结失败。粘结材料的颜色特性应与附近的老混 表1 1改性用聚合物混合剂的种类 天然橡胶胶乳天然橡胶( n r ) 橡胶胶乳合成橡胶胶乳 氯丁橡胶( c r ) 丁苯橡胶( s b r ) 丁腈橡胶( n b r ) 甲基丙烯酸甲酯 丁二烯橡胶( m b r ) 聚丙烯酸酯( p a e ) 聚醋酸乙烯脂( p v a c ) 丙烯酸酯苯乙烯 1 水性聚合聚丙酸乙烯酯( p v p ) 物分散剂环丙基甲酸乙烯酯 热塑性树脂乳液( e v a ) 树脂乳液聚丙烯( p p ) 7 偏氯乙烯氯乙烯( p v d c ) 热固性树脂乳液 环氧树脂 沥青质乳液 沥青橡胶沥青 石蜡 混合型 分散剂 混合型胶乳 混合型胶乳 2 再乳化型 粉末树脂 ( 粉状树脂 乳液) 环丙基甲酸乙烯酯( e v a ) 乙烯基乙酸“巴沙贴多”( v a v e o v a ) 3 水溶性聚 合物( 单体) 纤维素衍生物一甲基纤维素( m c ) 聚乙烯醇( p v a ) 聚丙烯酸盐一聚丙烯酸钙、聚丙烯酸镁 糠醇 4 液态聚合 物 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 8 凝土的相同或相近。粘结材料的本体抗压强度应足以承受载荷。 1 3 新老混凝土粘结研究概况 在老混凝土表面上浇筑新拌混凝土时，在新老混凝土之间必然出现界面，老 混凝土表面处理方法前面已论述，界面粘结材料以上已简略叙述。但是界面的出 现是新老混凝土结合的一个薄弱环节，它降低了混凝土整体的抗拉、抗剪强度以 及耐久性能。长期以来，国内外为了解决新老混凝土结合面受力薄弱，提高界面 粘结性能的课题，曾进行过混凝土粘结技术的研究。 对老混凝土的表面进行粗糙处理后，可以使新老混凝土粘结界面的粘结强度 明显提高。为了对比不同界面的粗糙程度，以及其影响程度，提出几种界面粗糙 度测定方法。其中有功率普法分维“、灌砂法。”、切槽粗糙率法o “、骨料暴露百 分比。”等。但是，仅是对粘结面进行粗糙处理，而未采用任何粘结剂，其粘结强 度低，是远远不能满足实际工程中的需要。 实验表明，在老混凝土表面处理后，抹上水泥浆、膨胀剂水泥浆、环氧树脂 ”1 、粉煤灰水泥砂浆、聚合物水泥浆等作粘结剂，其粘结面的抗拉强度可以达到 非常满意的效果。同样，减小新拌混凝土的水灰比、坍落度等条件也可很大程度 地提高新老混凝土的粘结强度。在界面潮湿或有水的条件下，新老混凝土的粘结 强度明显降低。在老混凝土表面浇筑修补混凝土后的护养制度，国内外均未见有 相关资料及报道。只是，大家都遵循一个原则，就选择一种对修补混凝土本体强 度发展最有利的养护制度，至于修补混凝土的最有利养护制度因其不同种类而有 各式各样的养护制度。工程应用中，有时往往不能满足这种变化。因此，对不同 类别的粘结材料应用中养护方式有待进一步研究。 新老混凝土粘结界面方位对粘结强度也有不同影响，文献。”列示了各种界面 方位修补，简称为上补、下补、侧补、斜上补和斜下补，如图1 所示。其实验结 果表明，上补的劈拉强度比侧补的要大，斜上补的压剪强度比斜下补的要大。 要改善新老混凝土界面粘结性能，必须先搞清新老混凝土之间的粘结机理， 首要任务是选择一种试验方法，以估算新老混凝土粘结的力学性能，从而评价粘 结各项性能。目前，用于混凝土与混凝土之间粘结性能测试的试验方法有许多种， 收集到的试验方法如下：轴拉试验，弯曲抗拉强度试验，劈裂抗拉强度试验，拔 出试验，斜剪试验，剪切试验( 分有直剪、双剪、单剪) ，修复梁试验，抗渗性 能试验，显微结构分析试验，显微硬度分析试验，蜕变过程研究试验，耐化学腐 蚀实验。各试验方法有适用范围及优缺点。关于斜剪试验，在许多情况下，需将 修补混凝土浇筑在老混凝土上，希望两种混凝土能粘结在一起。依结构形式及使 罔目田 ( c )( d ) 【e ) ( a ) 上补：( b ) 下补；( c ) 侧补( d ) 斜上补；( e ) 斜f 补； n 修补混凝土：d 一老混凝土 图1 界面方位示意图 用情况不同，新老混凝土粘结层应力状态发生变化极大。例如，桥面后履盖层 的粘结面可能要承受由收缩或温差引起的拉应力和剪应力或压应力和剪应力。然 而，轴向荷载作用下或者温度收缩引起的拉应力作用下，粘结层可能受到很高的 压应力。因此，没有一种试验方法能完全包容反应实际应用结构新老混凝土粘结 区的复杂多度的应力状态的。但是，一种试验方法应该完完全全的包括一种典型 的应力状态，同时能敏感的反映粘结强度的变化。w a l l 、s h s i u e 和g a m b l e 通过 对强弱粘结的强度和变形的敏感程度的测量，评定了斜剪、问接拉伸和两种弯曲 试验。发现斜剪试验是最合适的试验方法。斜剪试验实为抗压试验、它的试件 为一圆形组合试件，该试件具有一个径向粘结平面，该平面与水平面成6 0 0 角。 对于直接和间接拉伸试验，直接拉伸试验很难控制，且不易得到真实结果。相比 较而言，间接拉伸试验易得到精确值。研究中，多种弯曲试验用来估计新老混凝 土粘结强度。但此法有其缺陷，一则试件的长度大于其截面尺，只为了得到必要 的弯矩；二则粘结平面承受的是梯度应力，这意味着粘结平面上很小部分承受 最大应力引起破坏。对于直剪试验，试件产生一种剪应力，该剪应力由不可忽视 的弯矩或轴应力组合，为消除施加剪应力时，在粘结界面产生应力集中，剪应力 可与垂直施加右粘结平面上的压应力相组合，这样可减少剪切区的应力集中的影 1 0 响，得到更能反应粘结平均能力的破坏，在此情况下，粘结面断裂不是由试件的 破坏引起的。 新老混凝土界面粘结技术研究不仅限于实验室，其技术研究成果也有工程 应用。现仅就界面粘结效果较佳，本文主要研究对象的聚合物水泥砂浆、混凝土 做些简要论述。 在国外，聚合物水泥砂浆在国外最早用于工程在6 0 多年前，但应用较多是 在6 0 年代以后。在美国被广泛用于桥面修补，以防除冰盐渗进混凝土引起钢筋 腐蚀。据1 9 8 0 年的一份统计资料，此种材料已在美国1 7 个州8 0 0 多座桥梁面板 上铺设。当时最长使用年限已达2 0 多年。根据氯离子渗透，电位测量，粘结、 开裂和防滑性等几个指标评定，认为情况是好的。认为聚合物水泥砂浆履盖层可 以显著地减少氯离子的渗入，即使基础混凝土中氯盐含量已超过临界值，但是， 由于履盖层切断了水分和氧气的供应，在履层下面也没有必然断续腐蚀的迹象。 聚合物水泥砂浆的粘结使用寿命有多长，至今推断至少在3 0 年以上。美国l o w e a m o n u m e n t a l 闸和坝，是1 9 7 0 年开始运行的混凝土重力坝，由于混凝土含气不足， 般闸的墙面因为冻融作用严重破坏，采用p u d c 砂浆与玻璃纤维复合材料对老混 凝土表面处理修补，适宜养护。经过冬季考验，频繁的过闸驳船撞击，墙面完好 无损。同样，美国苏达州l a co a i p a r u e 坝也曾使用聚会物水泥砂浆修补严重破 坏的桥墩。 日本也非重视应用聚合物水泥砂浆做粘结材料。作为修补工程的例子有青 森县寒水泽水电站的输水道、北方某市一所中学层面板和梁受冻融破坏的修补， 都取得良好的效果。日本近来还研究将聚合物水泥浆或者净浆做成膏状物来修补 混凝土大予3 m m 的裂缝。 法国用聚合物水泥净浆作为预应力混凝土结构灌浆孔的特殊粘结剂，具有 流动性好、低泌水、低收缩、高强等性质，能在制备后6 h 被灌注和压入，经检 验与老混凝土界面粘结良好。 聚合物水泥砂浆和混凝土在我国的应用始于1 9 8 0 年，比较成熟和最为广泛 的要数丙烯酸共聚乳液水泥砂浆和混凝土，其作为新老混凝土界面的改性粘结材 料已在全国2 3 个省市1 0 0 项以上的工程中应用，现举例介绍如下：用作新建工 程防渗材料；大坝溢流面或者其他建筑物冻融破坏修补；各种混凝土和钢筋混凝 土建筑防渗处理材料；已碳化钢筋混凝土防止钢筋锈蚀的处理材料；防氯盐腐 蚀钢筋的防护材料；铺面修补材料。 1 1 在现有界面粘结研究及其大鬣工程应用基础上，新老混凝土界面粘缩研究 褥商自翡发震静趋势。菠最趋势露畈爨缝翔下：开发商一陵怒的牯缝耩辩，戳满是 不而使用环境要求，遗主鼹应研究粘结材料与老濑凝土的粘结性；、新老混擞土之 闺 牯结的瓣久性礤究，这方西的瓣变可以锻一些拣怼试验、干潺试验亲模耱潺凝 主静老纯萋瑟糙绩蠖弱嚣讫潺援；援劝莓载对糖续瞧静影确的磺究；重复瑟羧对 靛继犍魏影豌熬磅炎；犍绫撬剪撬谶磅究，主要懿锈凝结器瑟努力转递爨疆凝究 和机械橙的传剪机理研究，对前者可这样糟手研究，对不同种兴粘结处理方法制 餐匏糕缝试释，嚣予 銎辅魄笺窥魏漤彼下避毒亍蕊测，捷较不馥l 癸瑟整理方式下酶 爨徽结构，界面及露侧的邋渡区的榴结构，各稠静成分和形态，然簸结合宏戏力 擎往鼗溯试结果黧枣孝辩稀学理论，撬舞穗缩模登，溪窝精绣撬淫，看者可鲻修复 鬃试验方法研究1 ；唆身| 混凝土法修补橙、路隧翡试验磺裳；麓枣艰元分褥嚣 餮毽素对精结牲翡影嫡；移羚嚣缭秘豹嚣募简题，主要包括两个离疆，一凳警稽 结良好时，由两种性质( 强度不同) 的混凝土组成的截面，蕻皮力取值问题殿承 载鸯 弊辩越，= 个怼当糖结遐纯葳完全潴失意，结梅静诗冀阊撩。 ， 。4 籀老漫凝主器嚣粘结浆囊要赫题 1 4 ，1 牯结强度低 瑟纛滋凝爨瑶糖缩效果差，秧结强震低，缀乡达磊凝本体豹稳残鞭液。 在凝结避化越毫接斑联糕缝失效壤浆，或京应髑中受载菇不夫时器嚣裁开滕，缮 不到理想的粘结效果，往往只得熏新修复。当然，也有粘结效果较好的，诸如环 蕺精筵裁，其霹大楱发提离瑟老混骚土装旗篓强凄。整是，部分嚣筑穗缝制的露 制需在加热的条件下进行，这显然给实际工程中的现场旌工带涞不便。同时国于 巧氧键嚣瓣徐籍较器擞，爨魏在实际工程中健臻舔甄楗鬻采提凝耨老混凝的耱 臻强度是不经济戆。癸癸，舔氧群鼹不醚蹇涅，不瓣酸疼专蠹，冀痘矮莲圈受爨羧 耧。最后，一般翡嚣巍褥辫在灞滠簸蔑者霄东静潦况下霞愆，菸襁缮强菠缀低， 有娥甚登根本没有强殿。丽对新拌混凝土来说，势必含有大量的水，因而要环氧 穗膳戆在求申豫学稳定莠艇够匿纯散装。 1 4 2 特殊使用环境耐久惶阍题 现实工程中的新渗混凝土粘结砸，往往受诸多因素共同影u 陬旗同作朋，修 静混凝主黉要适应诸多翡帮豌霹予，组是一释修| 睾 灌凝爨其蠢魏番辞良好憔髓 有激。渤而，新老溉凝土粘结很难得到满足需要的粘结效果，墩很赡达到所希望 的耐久性。例如，p m c 总体具有良好性能，如高抗浸性，防水、耐磨，耐冲击， 高耐候性，高化学抵抗性，耐7 0 0 c 一8 0 0 c 高温，耐o o c 以下低温等，但是就单一 种p m c 而言，基本上不会同时具有上述所述性能，或者很难找到此类p m c ，自然， 应用p m c 粘结老混凝土表面，就会有耐久性问题。另外，如p m c 配制太稠，则不 易铺开，对大面积施工显得尤为突出，如配制太稀，聚合物用量增加，工程费用 昂贵，且聚合物量过大，会带来凝结过缓，粘结强度可能因此下降等问题。 1 4 3 粘结机理问题 国内外学者提出各种粘结理论，建立各种粘结模型，分析粘结机理“。考虑 各种界面粘结影响因素。但是，界面粘结区结构复杂，目前仍然没得出一种完善 的粘结机理来解释粘结面成受力薄弱区的问题并能指导现实工程的现场应用。 1 4 4 粘结性能变异大 粘结材料及其各种改性聚合物种类繁多，各种材料对老混凝土的粘绔眭能各 异，甚至差别极大。就算同类材料，其粘结强度也会因试验方法，养护条件，材 料配制方法，基面孔隙度，使用环境不同而变化。 1 4 5 无适合的统一的试验评价方法和通用标准 保证新老混凝土界面粘结强度是新老混凝土粘结取得预期效果的关键问题 之一。结构加固与修补中新老混凝土结合界面部位不同，界面应力状态有效大差 别，试图用单一试件形式的试验结果来评价所湄的粘结性能是不科学的，不全面 的。这是还因为许多试验结果也表明，某些粘结材料对提高抗剪粘结强度有一定 作用，但对抗拉粘结强度毫无帮助。因此需要相应的试件形式模拟不同界面应力 状态来评价其粘结性能。自然，这些试件的成型应容易，加载装置简单，便以实 施。目前，我国还未制定新老混凝土粘结相应的标准试件形式和试验方法。日本， 美国等一些发达国家各自建立了一些标准，但国际上还没有普遍可接受的通用标 准。由于标准不统一，对粘结材料性能的评价也不一致，试验结果之间缺乏可比 性1 。由此可见，国内建立一套标准的试验方法和试件形式以便在科研和技术应 用上建立共同的语言和科研的深入发展是很必要的。虽无统一的试验方法和通用 标准，但是，通常采用如下方法评定新老混凝土粘结强度。采用劈裂抗拉粘结试 件形式评价抗拉粘结强度：采用钻芯拉拔法评价现场测试的抗拉粘结强度；采 用z 型试件评价抗剪粘结强度；采用斜剪试件形式评价混凝土柱增大载面加固修 补的新老混凝土粘结强度；采用“8 ”字试件形式评价新老砂浆的抗拉粘结强度。 1 5 本文的主要工作及意义 1 5 1 本文的主要工作 本文的研究工作可主要分为以下两大方面。 1 5 1 1 新老砂浆界面粘结的研究 采用“8 ”字型新老砂浆粘结抗拉粘结强度的试验方法，研究了多种界面粘 结材料在不同养护制度、不同粘结方法、不同龄期、不同配比条件下的粘结性能， 并利用扫描电镜对界面微观结构进行了分析，对各种材料粘结改性机理进行初步 探讨。研究中采用的界面粘结材料有普通水泥基材料、矿物掺合料改性水泥基材 料、聚合物改性水泥基材料和环氧树脂，其中重点研究了聚合物改性水泥基材料， 所用聚合物包括n p 粉末、丁苯乳液、丙烯酸乳液、纯丙乳液、氯丁乳液、水乳 环氧。 1 5 1 2 新老混凝土界面粘结的研究 采用新老混凝土劈裂粘结试验方法，对比研究了普通修补混凝土、丁苯改性 混凝土、氯丁改性混凝土粘结性能。并通过新老混凝土钻芯拉拔粘结试验，研究 了不同界面粘结材料的新老混凝土粘结效果，并与其砂浆粘结试验结果进行了对 比，对实际工程应用中正确选用界面粘结材料及评价粘结效果具有一定的指导意 义。 1 5 2 本文研究的意义 实际工程中的新老砂浆或新老混凝土粘结，往往受诸多因素共同影响。界面 是新老砂浆或新老混凝土中最薄弱的区域，通常情况下，界面粘结强度低，很少 达到本体的相应强度。新老混凝土界面粘结材料和处理方法有多种，粘结效果差 异较大，且都不甚理想。 针对这一问题，本文在大量实验的基础上，对不同种类材料的界面粘结效果 和影响因素进行了实验研究，对其粘结及改性机理进行了初步探讨；提出了不同 界面粘结方法、不同养护制度下适宜的界面粘结材料及其较佳配比；采用多种粘 结拉伸强度试验方法，对不同界面粘结材料在新老砂浆及新老混凝土中的粘结效 果进行了对比。对实际工程中界面粘结材料、界面粘结方法、养护制度的正确选 用以及界面粘结效果的评价具有指导意义，同时为进一步研究界面粘结力学、耐 久性能等奠定了基础。 1 4 第二章新老砂浆粘结研究的实验工作 在建筑工程中，常采用高标号或同混凝土配比的水泥浆或砂浆作为界面处理 剂来粘结新老混凝土，或者直接应用修补砂浆粘结材料。随着高分子材料的出现， 人们开始采用环氧树脂粘结剂、聚合物水泥混凝土和砂浆来粘结新老混凝土”3 ， 使粘结抗拉强度得到了显著的提高。再者，水泥砂浆跟混凝土属于同性材料，研 究混凝土粘结性能，可先研究老砂浆一修补砂浆粘结的性能。本章是老砂浆一修补 砂浆粘结的实验工作。 2 1 实验原材料及性能 除特别说明外，各类砂浆和作界面处理剂的净浆及环氧树脂所用原材料如 下： 水泥( c ) ：湖南韶峰水泥集团有限公司生产的“韶峰牌”强度等级为4 2 5 m p a 的普通硅酸盐水泥。其化学组成和实测强度分别如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1“韶峰牌”强度等级为4 2 5m p a 的普通硅酸盐水泥化学组成 表2 2“韶峰牌”强度等级为4 2 5m p a 的普通硅酸盐水泥的强度 砂( s ) 和自来水：福建平潭产的水泥强度试验用标准砂，天然石英海砂， 其密度为2 6 3g c m 3 ，s i o 。含量大于9 6 ，烧失量不大于o 4 ，含泥量不大于 0 2 ，其粒度如表2 3 所示。 硅灰( s f ) ：贵州遵义铁合金厂生产的硅灰，s i